電磁力互動柱塞泵緩沖研究

徐學文，張洪信，趙清海，王東，王新亮

(青島大學 a.機電工程學院; b.動力集成及儲能系統(tǒng)工程技術(shù)中心，山東 青島266071)

0 引言

電磁力互動柱塞泵作為一種新型的液壓泵，如果柱塞運動到上、下止點時速度不為0，柱塞和泵體之間將產(chǎn)生大的沖擊，并導致系統(tǒng)振動和噪聲，嚴重影響壽命。

目前國內(nèi)外針對電磁泵緩沖的研究主要集中在液壓缸和氣缸方面。國外學者如ALGAR A等對雙作用氣缸在行程末端緩沖和啟動階段由于活塞的3D位移而影響緩沖和啟動性能進行了相關(guān)研究；LAI Q等對高速大流量液壓缸進行了緩沖特性建模與分析，詳細研究柱塞結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，證實適當?shù)脑O(shè)計和柱塞長度對提高緩沖性能是有效的[1-3]；國內(nèi)趙偉等對高速液壓缸的緩沖過程進行理論分析和實驗研究，分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)對緩沖速度的影響[4-5]；ZHANG Z L等則針對特高壓斷路器中的高速大流量閥控液壓缸緩沖進行優(yōu)化設(shè)計，有效降低柱塞的末速度[6]；王輝等提出一種新型緩沖裝置，通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥使氣缸以穩(wěn)定而低速的狀態(tài)停靠在行程終點，實現(xiàn)高速氣缸的最佳緩沖[7]；羅遠新等提出安裝可控式液壓阻尼器的解決方案，使單活塞式液壓發(fā)動機在活塞下止點能夠平穩(wěn)停止，并通過模擬仿真驗證其可行性[8]。

相關(guān)學者雖然對液壓缸行程終點的緩沖進行了大量研究，但將其結(jié)合到直線柱塞泵中還比較少見。電磁力互動柱塞泵結(jié)構(gòu)原理相對獨特，本文結(jié)合液壓缸行程終點的緩沖研究方法，通過研究其工作過程的動力學特性，得到電磁鐵的電磁力特性[9-10]，控制電磁鐵通斷電時間，以最節(jié)省的方式避免沖擊。

1 電磁力互動柱塞泵結(jié)構(gòu)原理

電磁力互動柱塞泵結(jié)構(gòu)原理及樣機如圖1所示。電磁鐵位于系統(tǒng)的上部，以電磁鐵為動力元件，下部的泵腔部分和配流系統(tǒng)與傳統(tǒng)的往復柱塞泵結(jié)構(gòu)原理相同。銜鐵在底部的凹槽帶有橡膠緩沖墊，可以防止因工作不穩(wěn)定出現(xiàn)柱塞到達上止點時對電磁鐵底部沖擊過大的問題。泵工作時，左、右缸電磁線圈交互通斷電，電磁線圈通電時成為磁鐵，磁化本缸的銜鐵柱塞，銜鐵柱塞因受到電磁力而向上移動，對應(yīng)泵腔吸入低壓流質(zhì)，并通過齒輪齒條傳動機構(gòu)驅(qū)動另一缸銜鐵柱塞同步向下移動，對應(yīng)泵腔輸出高壓流質(zhì)，左、右兩缸交替通電，完成電能向流體壓力能的轉(zhuǎn)化[11-13]。因左、右缸的銜鐵柱塞組件運動相反，往復慣性力完全抵消，整個系統(tǒng)沒有因往復慣性力帶來系統(tǒng)振動。但如果在上、下止點處銜鐵柱塞組件速度不為0，將產(chǎn)生沖擊力，帶來沖擊振動和噪聲[14-16]。

1—外殼；2—電磁線圈；3—銜鐵柱塞組件；4—互動齒輪；5—齒輪軸；6—齒條；7—泵體；8—泵腔；9—進流質(zhì)單向閥；10—出流質(zhì)單向閥。

2 電磁力互動柱塞泵動力學建模

2.1 動力學建模

左、右兩個銜鐵工作過程完全一致，存在的相位差為π，因此只需要建立、分析單缸半個周期內(nèi)的動力學過程[17]。

在左側(cè)電磁鐵通電時，左、右柱塞的受力平衡方程為：

Fem-Ft1-Fμ1-Ff1-m1a1=0

(1)

-Ft2+Fμ2+Ff2+m2a2=0

(2)

式中：Ft為切向力；Ff為摩擦力；Fem為電磁力；Fμ1、Fμ2分別為兩個柱塞的摩擦力。

柱塞摩擦力與徑向力、切向力之間關(guān)系為：

Fμ1=Fr1μ=μFt1tanα

(3)

Fμ2=Fr2μ=μFt2tanα

(4)

式中：α為齒輪壓力角，標準齒輪壓力角α=20°；Fr為徑向力；μ為柱塞與泵體之間摩擦系數(shù)，當完全油膜潤滑時為0.06左右，不完全油膜潤滑時為0.15左右，本文取0.06。

互動齒輪的轉(zhuǎn)動平衡方程為：

Ft1r-Jα=Ft2r

(5)

式中：r為互動齒輪節(jié)圓半徑；α=a1/r，為互動齒輪角加速度；J為互動齒輪轉(zhuǎn)動慣量，由于互動齒輪較小忽略其轉(zhuǎn)動慣量。

在定性研究分析泵的動力特性時，通常取pi為0，pi為泵的揚程(或負載工作壓力)，對分析結(jié)果的可信度不會有明顯影響[18-19]。

聯(lián)立以上各式，電磁力Fem求解得到，則圖2中各力均可得到。

圖2 電磁泵運動部件受力圖

2.2 電磁力Fem仿真與實驗

用COMSOL軟件建立電磁力仿真分析模型對銜鐵在不同位置時的磁場進行計算，如銜鐵位移s(柱塞底面距離下止點的距離)為15 mm時磁場分布如圖3所示，然后得到Fem與s之間關(guān)系。

圖3 位移s=15 mm時電磁鐵磁通密度和磁感線

為了驗證和校準仿真模型，研制了Fem的試驗裝置，如圖4所示。當電磁鐵通電時，銜鐵受到電磁吸力的作用使拉塊上部調(diào)節(jié)螺栓的底端緊壓在傳感器的觸點上，通過此傳感器便可測出電磁鐵吸力的大小。

1—銜鐵行程調(diào)節(jié)螺桿；2—力傳感器；3—支架橫梁;4—拉塊；5—圓柱銷；6—銜鐵；7—電磁鐵；8—T型支架；9—螺栓組件；10—力傳感器顯示器。

實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)對比如圖5所示。仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)最大誤差為9 N，具有較好的一致性。電磁力隨著柱塞行程增大單調(diào)遞增，且變化越來越快，最大值接近1 000 N，則柱塞從下止點開始運動，加速度越來越大，速度也越來越快。

圖5 實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

3 柱塞緩沖策略

如果電磁力互動柱塞泵在整個工作過程中保持通電，柱塞運動的加速度與速度曲線如圖6所示。左柱塞從下止點開始向上運動，速度由0遞增。因為越往上電磁力越大，所以加速度越大，速度變化增快，趨勢同電磁力變化，到上止點時最大，達到1.6 m/s。右柱塞與左柱塞速度一致，方向相反。所以左、右柱塞運動到上、下止點時將與外殼及泵體產(chǎn)生較大沖擊力，使柱塞速度瞬間為0，導致劇烈沖擊振動和噪聲，嚴重影響系統(tǒng)的壽命和可靠性[20]。

圖6 柱塞速度曲線

基于上述考慮，針對柱塞泵半個周期為0.178 s的工況，經(jīng)過反復實驗，柱塞從下止點靜止位置開始通電0.07 s(柱塞泵的半個周期為0.178 s)，柱塞運動到上、下止點附近的速度剛好為0，此時電磁力曲線如圖7所示。電消耗大幅度降低；柱塞速度與時間之間的關(guān)系如圖8所示，與位移之間的關(guān)系如圖9所示。在t=0.07 s、柱塞位移為0.012 m時速度達到最大，即0.42 m/s，然后勻速遞減到上止點時為0；柱塞加速度與時間的關(guān)系如圖10所示，斷電后為恒定負值，這是由于摩擦力和泵腔壓力所致。

圖7 電磁力和時間的關(guān)系曲線

圖8 銜鐵柱塞組件速度和時間關(guān)系曲線

圖9 銜鐵柱塞組件速度和位移關(guān)系曲線

圖10 銜鐵柱塞組件加速度和時間關(guān)系曲線

4 結(jié)語

1)考慮電磁力、液壓動力、摩擦力等因素，建立電磁力互動柱塞泵動力過程仿真的數(shù)學模型。

2)對電磁力進行仿真與試驗研究，兩者具有較好的一致性。電磁力隨著柱塞行程增大單調(diào)遞增，且變化越來越快，最大值接近1 000 N。

3)柱塞從下止點運動到上止點保持通電狀態(tài)，則速度以電磁力變化趨勢越來越大，到上止點時產(chǎn)生劇烈沖擊和噪聲。

4)縮短通電時間，可使柱塞運動到上止點時速度近似為0，避免沖擊且電消耗大幅度降低。